一種加工工具及其制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是分案申請，原申請的申請日為2009年12月18日，申請?zhí)枮?200910263652. 3,發(fā)明創(chuàng)造名稱為"一種加工工具及其制造方法"。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種加工工具及其制作方法，尤其是涉及機(jī)械加工工具和制作方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 碳納米管，在文中被稱為CNT，由于它們具有獨(dú)特的機(jī)械性能和熱導(dǎo)性能而稱 為一項(xiàng)富有意義的發(fā)現(xiàn)（參見【1 】、R.H.Baughman，A.A.Zakhidov，andW.A.D.Heer， 2002?^Carbonnanotubes-theroutetowardapplications''，Science，Vol. 297， pp. 787-792 ;【2】、H.J.Qi，K.B.K.Teo，K.K.S.Lau，M.C.Boyce，W.I.Milne，J.Robertson，and K.K.Gleason，2003,"Determinationofmechanicalpropertiesofcarbonnanotubes andverticallyalignedcarbonnanotubeforestsusingnanoindentation''，Journal oftheMechanicsandPhysicsofSolids，Vol. 51，pp. 2213-2237 ;【3】、R.S.Ruoff， andD.C.Lorents，1995,"Mechanicalandthermalpropertiesofcarbonnanotubes''， Carbon，Vol. 33，No. 7，pp. 925-930 ;【4】、C.Bower，R.Rosen，L.Jin，J.Han，and0·Zhou， 1999,"Deformationofcarbonnanotubesinnanotube-polymercomposites''，Applied PhysicsLetters，Vol. 74，No. 22，pp. 3317-3319 ;【5】、M.Fujii，X.Zhang，H.Xie，H.Ago， K.Takahashi，andT.Ikuta，1995,"Measuringthethermalconductivityofasingle carbonnanotube"，PhysicalReviewLetters，No. 065502，pp. 1-4 ;【6】、M.M.J.Treacy， T.W.Ebbesen，andJ.M.Gibson，1996,"Exceptionallyhighyoung'smodulusobserved forindividualcarbonnanotubes"，Nature，Vol. 381，pp. 678-680)D 碳納米管主要分為 兩類。單壁碳納米管（SWNTs)由一層石墨片層卷起來形成一個(gè)圓柱形管狀結(jié)構(gòu)。多壁碳納 米管（MWNTs)由幾層石墨片層組成，結(jié)構(gòu)類似于樹的年輪（參見【1】）。
[0004] 碳納米管的機(jī)械性能
[0005] 碳納米管尺寸小，實(shí)驗(yàn)測試不容易（參見【2】)。已有的測試結(jié)果表明，碳納米管性 能超常規(guī)，其密度較低，大約2g/cm3,具有約1000-10, 000的長徑比，高剛度，具有大于lTPa 的高彈性模量，高抗拉伸強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度值約150GPa，低腐蝕敏感性（參見【12]A.Peigney， 2003,Tougherceramicswithnanotubes''，NatureMaterials，Vol. 2,ρρ· 15-16) 〇
[0006] 通常金剛石的硬度為 56-102GPa(參見【19】I.D.Marinescu，W.B.Rowe， B.Dimitrov，andI.Inasaki，2004,"TribologyofAbrasiveMachiningProcesses''， WilliamAndrewPublishing，NY) 但是金剛石的價(jià)格很高碳納米管的硬度已發(fā)現(xiàn)與金 剛石差不多（參見【28】1611〇，（：.2.21111，1'.}(.￥11，（：.！1.￥〇〇,8.21^邱，&11(1￥.1'.0&1，2004， "Formationofsp3bondinginnanoindentedcarbonnanotubesandgraphite''， PhysicalReviewLetters，Vol.93,245502.)。
[0007] 碳納米管的彈性模量可以用單根納米管由熱引起的振動振幅來測量（參見 【6】）。有效抗彎模量在0.4-4. 15TPa之間，^^一種碳納米管的平均值為1. 8TPa(參見 【6】）。另一種測量方法是在光滑平面上散開多壁碳納米管，然后用方形墊片壓?。▍?見【2】和【7】、E.W.Wong，P.E.Sheehan,andC.M.Lieber，1997,"Nanobeammechanics: elasticity,strength,andtoughnessofnanorodsandnanotubes'，，Science，Vol. 277， pp. 1971-1975)，再用原子力顯微鏡來劃該表面，測量水平方向的力和變形，來測彈性模量。 其值約 1. 28+/-0. 59TPa。
[0008] 碳納米管的熱傳導(dǎo)性能
[0009] 碳納米管的熱學(xué)性能同樣受人關(guān)注，具有很多重要的特性（參見【3】）。碳納米 管的熱傳導(dǎo)率比較高的原因，在理論上分析時(shí)認(rèn)為是因?yàn)樵谔技{米管臂上的sp2軌道上 的聲子具有大的平均自由路徑（參見【1〇】、S.Berber，Y.K.Kwon，andD.Tomanek，2000， "Unusuallyhighthermalconductivityofcarbonnanotubes'，，PhysicalReview Letters，Vol. 84,No. 20,pp. 4613-4616)。單壁碳納米管的熱傳導(dǎo)率平均值為2000W/ mK，最高達(dá)到 6000W/mK(參見【11】、J.Che，T.Cagin，andW.A.Goddard，2000，"Thermal conductivityofcarbonnanotubes'，，Nanotechnology，Vol. 11，pp. 65-69) 〇
[0010] 單壁碳納米管比起傳統(tǒng)的良好熱導(dǎo)體例如金剛石等，具有更高的熱傳導(dǎo)率。金剛 石的熱傳導(dǎo)率在1600W/mK附近。
[0011] 多壁碳納米管的熱傳導(dǎo)率比較低，用自加熱方法測量值為20W/mK。
[0012] 熱傳導(dǎo)率與碳納米管直徑的關(guān)系顯示了影響熱傳導(dǎo)率值的主要原因是在多 壁中的聲子和電子互相作用。多壁碳納米管的層數(shù)減少，熱傳導(dǎo)率上升（參見【15】、 S.J.V.Frankland,A.Caglar,D.ff.Brenner,andM.Griebel, 2002,^Molecularsimulation oftheinfluenceofchemicalcross-linksontheshearstrengthofcarbon nanotube-polymerinterfaces"，J.Phys.Chem.B，Vol. 106,pp.3046-3048)〇
[0013] 復(fù)合材料中的碳納米管
[0014] 碳納米管可以用做填充物加到復(fù)合材料中來增強(qiáng)材料的性能。這是因?yàn)樘技{米管 的強(qiáng)度性能（參見【3】）。
[0015] 碳納米管和樹脂材料的復(fù)合材料的研究有很多。一項(xiàng)早期的透射電子顯微鏡 (TEM)研究發(fā)現(xiàn)在碳納米管和樹脂基之間有微弱的互相結(jié)合的作用（參見【8】P.M.Ajayan， 0.Stephan,P.Redllch,andC.Collex,1996/^Carbonnanotubesasremovabletemplates formetaloxidenanocompositesandnanostructures'，，Nature，Vol. 375,pp. 564-567) 〇 碳納米管在材料斷裂之前起到作用，由于大拉力產(chǎn)生了 30% -50%的塑性形變（參見【4】)。 可能是由于拓?fù)鋵W(xué)上的缺陷例如在大拉力下產(chǎn)生五邊形和六邊形對，導(dǎo)致了彎曲形狀的 巨變（參見【9】J.Han，M.P.Anantram，andR.L.Jaffe，1998,"Observationandmodeling ofsingle-wallcarbonnanotubebendjunctions'，，PhysicalReview,Vol. 57,No. 23, pp.14983-14989)。
[0016] -項(xiàng)研究顯示具有5%含量的碳納米管的復(fù)合材料，由于碳納米管的良好的分散 狀況，而具有最大的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量（參見【13】￥.1(.〇1〇1，1(.3耶1111〇切，3.此3〇1^， Y.Gotoh,Y.Ohkoshi,andM.Endo,2005,"Mechanicalandphysicalpropertiesof epoxycompositesreinforcedbyvaporgrowncarbonnanofibers'，，Carbon，Vol. 43， pp. 2199-2208)。5%含量的碳納米管復(fù)合材料在機(jī)械性能和磨削性能是一個(gè)分水嶺。多壁 碳納米管具有巨大的表面積比率，大約為l〇〇〇m2/g或以上，這個(gè)數(shù)值高于其他的填充纖維。 碳納米管的表面在應(yīng)力傳導(dǎo)上起到一個(gè)中介面的作用。
[0017] 這些特性也會導(dǎo)致聚集作用。碳納米管的均勻分散程度增強(qiáng)了聚合物的性能。 碳納米管可以用超聲的方法分散，這種方法可以達(dá)到更好的納米級分散效果（參見【14】、 A.B.Sulong，J.Park，N.Lee，andJ.Goak，2006,"Wearbehavioroffunctionalized multi-walledcarbonnanotubereinforcedepoxymatrixcomposites''，Journalof CompositeMaterials，Vol. 40，No. 21，pp. 1947-1960 ;【15】和【16】Y.Wang，J.Wu，and F.Wei，2003，"Atreatmentmethodtogiveseparatedmulti-walledcarbonnanotubes withhighpurity，highcrystallizationandalargeaspectratio''，Carbon，Vol. 41， pp.2939-2948)。
[0018] 現(xiàn)有研究表明，碳納米管可以加入復(fù)合材料和金屬中，相對于沒有加碳納米管的 同樣材料來說，加入碳納米管的材料熱傳導(dǎo)率會提高（參見【23】M.Fujii，X.Zhang，H.Xie， H.Ago，K.Takahashi，T.Ikuta，H.AdeandT.Shimizu，2005,"Measuringthethermal conductivityofasinglecarbonnanotube''，PhysicalReviewLetters，Vol. 95， 065502 ;【24】、E.S.Choi，J.S.BrooksandD.L.Eaton，2003,"Enhancementofthermal andelectricalpropertiesofcarbonnanotubepolymercompositesbymagnetic fieldprocessing"，JournalofAppliedPhysics，Vol. 94，pp.6034-6039 ;【25